本所5月份演讲公告：

～ 光电所参与欧洲 European Master of Science in Photonics (EMSP) 硕士双学位计划 系列报导 ～

【之五】

撰文：光电所硕士班 陈以佳

开学前的小确幸

先前文章提过，我们为了早点安顿下来，提前了一个月抵达比利时，这段空档刚好让我们有机会在开学前疯玩一场。说到留欧必备，FB上的「台湾欧洲交换社团」绝对是首选，里面从征旅伴、沙发换宿到各种疑难杂症的求助应有尽有。那时，跟我们一起参与MSPE计划的中山大学同学就在社团看到两位前往德国交换的台湾学生在征旅伴。巧的是，我跟那位来自中山大学的女孩都有驾照，可以一起租车出游，我们五位就这样「一拍即合」。这是我第一次在国外与陌生人组团出游，虽然事后看到不少社团灾情，像是被放鸽子或金钱纠纷，才知道这种事真的很看运气，但我们这团不仅配合度极高，彼此包容度也很好，到现在都还是会互相联络的好朋友，现在回想起来真的觉得非常幸运、难能可贵。

决定去德国后，大家马上组了Line群组分配工作。我们MSPE三人组负责从比利时租车出发，在此提醒大家：在国外租车，除了国际驾照，台湾本国驾照也一定要随身携带，租车公司会查验才能取车。另外，强烈建议透过知名的第三方平台租车并把保险保好保满，发车前更要录像存证车况，才能无后顾之忧地享受旅程。

这趟旅程我们走的是「山水风」，重点站就是德国西南部弗莱堡（Freiburg）大名鼎鼎的黑森林。前往路途中，我们总算体验到传说中的「无速限高速公路」—虽然很省时间但真的有点恐怖，我记得我们都开到时速150公里了，却还是公路上最慢的那台，一直被后车超过去。

一抵达黑森林，眼前的景象真的让人震慑。高耸茂密的针叶林与雾气萦绕的清新空气，随便拍都像在婚纱场地取景一样壮观。当天天气刚好不错，凉爽的空气中偶尔有阳光穿透树林，如同一道道曙光射入，美得令人窒息。穿过森林后，则是一望无际、起伏有致的草原，点缀着几座独栋木屋，活脱脱就是走进了童话场景。我们还在森林外的餐厅品尝了正宗的「黑森林蛋糕」，外观虽然跟台湾差不多，但风味上多了极其浓郁的酒香，非常扎实。

离开森林后，我们顺路拜访了一间咕咕钟专卖店。这间店非常有特色，大门外就有一座巨大的咕咕钟。店内展示了从微型到巨大尺寸、造型各异的手工钟，结构精巧得令人赞叹。最吸引人的是，老板说只要购买都有终生保固，而且连台湾都有保固点，这点真的让我们差点忍不住想搬一个回家。最后想跟大家分享一张弗莱堡旧城区的街景，旧商贸大楼的红白色外墙与哥德式建筑是当地的特色，我们还路过了仅存的中世纪防御城门「马丁门」。有趣的是，这座古老拱门下方的店面现在竟然是麦当劳，而且市区轻轨依然会频繁穿越这个窄门，所以我们拍照时真的要非常小心交通安全。

这趟旅程停留了许多地方，是我第一次深刻感受到欧洲大陆的辽阔，以及被中世纪街景包围的震撼。第一次独立与不认识的人合作排行程、安排国外的交通与住宿（虽然后来发现这对欧洲人来说只是家常便饭），这些新奇又兴奋的体验对我来说，就像是又「长大一阶」的成年礼，也为开学前的空档画下一个完美的句点。 【精彩内容，下期待续～】

撰文：光电所硕士班 林宇凡

五小时车程外的巴黎文艺之旅

巴黎离根特（Ghent）非常近，大约搭乘客运五个小时就能抵达，与从高雄到台北差不多，因此就成了我假日休闲时常去旅游的城市。并且巴黎也是一个历史悠久的城市，在市中心有一个河中岛（西堤岛）更是文化的精华。像是圣母院（Notre-Dame）、圣礼拜堂（Sainte-Chapelle）、巴黎古监狱（Conciergerie）等等都在这座岛上。其中圣母院更是巴黎文化的象征，虽然在几年前惨遭祝融，但历经几年的修复，仍不减它所代表的哥德式建筑的美丽。

在河中岛的两侧就是著名的罗浮宫和奥赛博物馆。罗浮宫我去了两次，其藏品之多根本看不完，涵盖范围从史前时代到启蒙运动，从欧洲到东西亚应有尽有。其中更是有许多必看文物，例如「人类最有名的画作」《蒙娜莉萨》就馆藏于罗浮宫。可惜的是看的人实在是太多了，每次都只能匆匆看一眼就得离开，且因为安保的缘故始终隔着一段距离，无法静下心来好好欣赏这幅达文西最爱的画。

欣赏完罗浮宫中的文物，我们往南边走，穿越塞纳-马恩省河，抵达传说中的巴黎左岸，体验巴黎的文艺气息。一生只能考三次的巴黎美院（Beaux-Arts de Paris）就在这里，依靠着美院有一整条街的艺廊，听说能在这里开艺廊也算是一种人生成就，虽然那些展品我是看不太懂。左岸河畔在上午时，还有许多绿色铁皮，像是垃圾桶一样的物体安装在人行道旁，一到了下午就会展开它的真面目，原来它是一间一间的旧书摊（Bouquinistes），还有卖一些旧海报等等旧物，充满了文艺气息。

这趟旅程最后，如果不去艾菲尔铁塔附近走走，总觉得少了点仪式感。看着那座钢铁巨兽在晚霞中逐渐亮起金黄色的灯光，我不禁感叹，巴黎就是这样一个矛盾却又和谐的地方：它既有岛上沉重的历史积累，又有左岸那种随性的艺术浪漫。

虽然客运回程又是五个小时的车程，或许会让人感到些许疲惫，但每当想到能暂时逃离日常，置身于这座连空气都散发着旧书卷与咖啡香的城市，这点距离也就显得微不足道了。巴黎对我而言，不只是一个地标或是一系列博物馆的堆砌，而是一个随时张开双臂，等待我去发掘下一段故事的老朋友。【精彩内容，下期待续～】

高速摄影机辅助运动训练

Professor Yuh-Renn Wu's Laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 吴育任教授

利用多台同步高速摄影机拍摄投手动作，进行生物力学分析关节活动与肌肉发力状况预防受伤、分析与训练。此技术也用于拍摄投球轨迹，分析球路、球速与转速以增进球质。

在台湾，棒球是最受欢迎的体育竞技之一，许多球员都是从国小时期开始接触棒球并成长为职棒选手。然而若长期不当操练，选手容易造成不可逆的伤害，尤其许多高中投手因为手臂伤势被迫调整投球姿势，最后在毕业后已严重受伤被迫放弃成为职棒选手。有鉴于此，台大、台湾体大组成团队，开发高速摄影机肢体辨识并整合物理治疗与生物力学分析开发了辅助训练系统，希望可以低成本方式普及伤害预防与运动科学。在团队的分析与调整下，时年已24岁的陈柏安成功在两个月内将球速从时速133公里提升到时速143公里，并被味全球团收为自培选手（人间福报，2024-09-10）。团队中由吴育任教授所主导的子计划专注于开发无标记式肢体3D重建与球路重建，采集运动数据以供专业教练与防护人员分析。

传统上采集关节活动数据需要在关节处皮肤上贴上反光标记并在周围架设多台红外线摄影机追踪标记的轨迹，然而在剧烈运动时标记可能会脱落且活动范围越大需要越多台红外线摄影机。本团队采用长焦高速摄影机拍摄肢体动作后使用肢体辨识AI模型（例如YOLO），可以将摄影机架设在棒球场的观众席上拍摄投手且不影响比赛进行。多台摄影机从不同角度拍摄选手动作得到关节点的二维坐标，两两组合透过三角测量（Triangulation）还原出三维坐标（图一），并从组合中选出三维位置投影至相机二维坐标误差最小的组合。然而模型经常混淆相似的关节，尤其是该关节被遮挡时尤为容易发生，且不可避免的模型判定位置会抖动。本团队开发了超采样去除噪声算法（图二），先将原始数据点透过有限脉冲响应（Finite Impulse Response, FIR）将数据速率提高后找出局部极值并从中选出正确的轨迹，排除可疑之数据点后再透过低通滤波器得到平滑稳定的轨迹。此方法对于短时间的连续抖动十分有效，也大大的改善了三维重建精度。后续透过将高质量之三维坐标输入逆运动学计算人体关节活动与肌肉发力可以得到精准的骨架运动轨迹并投影至影片上，供教练或是运动防护员分析（图三）。

球路重建方面，棒球投球时球的转速（Revolutions Per Minute, RPM）与球速是影响球路表现的关键物理量。高转速的球因马格努斯效应（Magnus Effect）产生较大的气动偏移力，是造成曲球、滑球等变化球路的主因。传统量测方式仰赖雷达测速仪或专用旋转传感器，设备昂贵且不易普及。本研究针对棒球场景自行训练YOLO目标侦测模型，自动追踪高速影片中的球体位置并裁切出每帧对应的球体影像（图四），做为后续分析的基础。

转速量测基于一个核心假设：球旋转一圈后，球表面纹路（缝线）会回到初始状态，连续帧之间的影像差异因此达到局部最小值。系统透过分析连续帧之间的影像相似度，并以超采样大幅提升时间分辨率，从而精确估计旋转周期并换算为每分钟转数（图五）。球的旋转轴决定了球路偏移的方向，是教练分析投球质量的重要依据。本研究将球体表面映像至单位球面，对均匀分布于候选方向的转轴逐一计算球面旋转后的像素预测误差，搜寻使误差最小的转轴方向并进一步精确化，最终还原出投球时的旋转轴，与使用都普勒回波测量求转速的商用系统相比，我们成功用低成本的方式达到非常高度相关的结果（图六）。球速量测需要将像素坐标还原为真实世界的三维位置，因此须依赖相机标定所得的内参矩阵。本研究以相机焦距与球体已知半径估计球在镜头前的深度，还原球的真实三维位置，进而计算出每帧之间的位移与时间间隔，最终输出球速（km/h）。最后结合球速、转速与出手点，计算马格努斯力、重力与空气阻力可以预测球的完整轨迹。与需要在本垒板前放置仪器的商用系统相比有接近的结果（图七），且摄影机可以架设在不干扰投打之观众席，价格也相对亲民。

Reference:

[图一] R. Hartley and A. Zisserman,“3D Reconstruction of Cameras and Structure,” in Multiple View Geometry in Computer Vision, Cambridge: Cambridge University Press, 2004, pp. 262–278.

Sidewall Optical Leakage and Scaling Limits in Sub-20 µm AlGaInP Micro-Resonant Cavity LEDs

Professor Chao-Hsin Wu

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 吴肇欣教授

We are delighted to present some of the latest developments that have been made by us in the field of advanced AR displays and VLC systems. Our research explores the optical properties of the AlGaInP micro-RCLEDs with dimensions below 20 µm and operating at 620 nm. [1]

Through our experiments, we showed that micro-RCLEDs with 13×20 µm² have strong spectral narrowing (FWHM < 10 nm) and excellent current-dependent wavelength stability. The reason why we observed unexpected high divergence in the far-field measurements turned out to be sidewall emission, which was proved by using hybrid optical model involving transfer matrix method combined with geometric optics. Indeed, as mesa size is smaller than the optical recycling length, the emitted light from lateral cavity modes cannot be absorbed any longer.

This demonstrates an inherent scaling compromise between vertical confinement of the cavity and directional emission of the beam. The essential requirement to overcome this problem is thus to implement appropriate sidewall emission control schemes for micro-RCLEDs of high-resolution applications. Our simulation results show that by using a sidewall mirror made of gold (Au), we can mitigate lateral escape and redirect photons forward, leading to a remarkable enhancement of light coupling into a ±20° acceptance cone AR waveguide, increasing the coupling efficiency (η_20°) from 8.4% to 20.0%.

Reference:

[1] N. Prechatavanich, M.-J. Wu, C.-W. Huang, C.-K. Yee, T. Sutheebanjerd, Y.-T. Tseng, Z.-A. Lin, Y.-H. Chen, K.-H. Lin, C.-C. Wu, and C.-H. Wu, "Sidewall Optical Leakage and Scaling Limits in Sub-20 µm AlGaInP Micro-Resonant Cavity LEDs," 2026.

— 资料提供：影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃岩教授、郭权锋 —

量子光子网络的扩展之道

利用多模光纤与空间光调制器进行模态混合与映像，构筑起两个孤立量子网络之间的桥梁，从而以量子连结方式将远距节点相互联系。

量子网络展现了将远距量子装置相互连结的潜力，藉由超越古典物理的非局域效应，开启了从分布式计算到高灵敏度感测等多样化应用的可能性。量子态的共享纠缠虽然是实现量子网络独特能力的核心推动力，但其本质上极为脆弱，因而对节点间的传输质量与组件保真度造成了严苛要求。尽管近年在提升节点间距离与使用者数量方面已有进展，相关挑战仍然存在。

尤其是，传统网络中常见的随选路由（On-demand routing）与讯号放大等功能，往往会降低量子态的保真度并破坏纠缠，这种效应在网络节点数量或编码信息量增加时尤为显著。随着网络规模的扩张，维持高保真度的需求导致枢纽复杂度呈二次方增长，凸显了逐节点扩展的主流架构在概念验证之外缺乏实用性。近期，Natalia Herrera Valencia 及其同事在 Nature Photonics 撰文提出一种替代性架构，能在保持量子网络核心功能的同时支持可扩展性[1]。

研究人员在先前的工作中，已展示了透过多模光纤传输高维度纠缠，并利用传输矩阵方法解碼模态混合的成果。随后，他们提出了一种逆设计框架，能够利用此类介质中的复杂模态混合来实现任意且高保真的线性光学电路。如今，Valencia与其同事提出了一个可重构的8×8多端口光子组件，将两个彼此孤立的四使用者量子网络互联为统一架构，并在任意两节点间实现高保真的交互。

在其方案的核心思想中，研究人员提出以建设性的方式利用多模光纤中的模态混合，将一段仅30公分的光纤有效地转化为可程序化的光学混合器，能够生成输入态的迭加。该互联枢纽（见图一）并非仅一次接受一对纠缠态，而是并行地利用空间模态，使得某一子网络中所有节点的信息皆可包含于单一高维度纠缠态之中。

当光纤被置于由空间光调制器（SLM）实现的可程序化相位平面（P1–P4）之间时，输入态在传输前后皆受到调制，这种调制方式与光纤的模态混合相互补充，从而生成目标变换。这些变换被称为量子闸，用以操控量子态，其作用类似于古典计算中的逻辑运算。

其方案的一项核心功能在于纠缠态的路由。在单一子网络层级以及互联网络架构中，Valencia与其同事皆成功实现了纠缠态的共享。不同模式之间的切换无需更换硬件，只需在空间光调制器上施加新的相位图样，即可完成，凸显了该网络的灵活性与软件定义特性。

以相同的软件支持方式，研究人员展示了量子网络的一项独特功能，即「纠缠交换」，这也是量子中继器的核心协定。Valencia与其同事将其光学电路程序化，以在两个独立通道上同时执行贝尔态测量。此操作使得子网络内的纠缠态坍缩，并在统一网络中重新建立跨越远距使用者的纠缠态。研究人员观察到，分属不同子网络的使用者对之间能以超过77%的保真度形成纠缠态，从而确认了多任务纠缠交换的成功实现。

对于多模光纤在光子应用中的使用，一项常见的批评在于其对环境扰动（如弯曲或温度变化）高度敏感。然而，Valencia与其同事展示了其系统在未重新对准或重新校正传输矩阵的情况下，能在两周之期间维持高保真度。此种稳健性显示，若结合标准封装技术，该类组件有望在真实环境中部署，作为可重构的量子光子处理器。

然而，目前仍存在一些限制阻碍其实际应用。首先，重构速度受限。空间光调制器中所使用的液晶通常仅能在赫兹至千赫兹的速率下刷新。未来的动态量子网络可能需要兆赫或吉赫（megahertz or gigahertz）等级的切换速度，以便在路由量子封包时达到具实用价值的吞吐量与连结性。透过以更快速的调制技术取代液晶，例如数字微镜器件或整合式光学相位数组，或可实现此一升级。其次，插入损耗仍是关键因素。虽然光纤本身几乎无损，但组件间的耦合效率会引入不可忽视的损耗，进一步降低端到端的效率。

本质上，Valencia与其同事展示了看似普通的多模光纤，这是一种普遍存在且低成本的光子组件，然而在此亦可被利用来执行高效且可重构的量子信息处理。此项工作提供了一种创新的网络架构，作为传统整合光学架构的替代方案，为灵活且可扩展的量子网络开辟了有意义的途径。尽管未来仍存在其它挑战，例如透过开发高维度量子光源与具备更多空间模态的可程序化电路来推进更大规模的网络，但利用多模光纤内在的模态混合过程，仍展现出一条与现有通讯基础设施兼容的全球量子网络的可行路径。